与光学微机电系统装置一起使用的成像技术

摘要

一个光学MEMS装置以有效地组合每个第一和第二光学装置的至少一个微反射镜的倾斜角的方式成像到第二光学MEMS装置所在的一个不同的位置。该成像系统可以复制来自第一微反射镜的光的反射角。这可以使用一个远心系统，也称为4f系统作为该成像系统实现。通过压缩光路，例如，使用合适的常规反射镜，和/或使用折叠装置，即仅有一个MEMS装置部件，具有通过使用至少一个常规反射镜进行输入和输出的双重任务的装置，可以减小该装置的实际尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及光学微机电系统(MEMS)装置的技术，并且尤其涉及使用MEMS装置的全光学开关。

背景技术

全光学开关的一个解决方案使用两个MEMS装置，每个包括一个可倾斜微反射镜如小反射镜阵列，能够反射光，这里是指感兴趣波长的任何辐射，无论其是否位于可见光谱。通过使用第一光学MEMS装置上的与输入光纤相连的第一微反射镜使光转向与输出光纤相连的第二光学MEMS装置上的第二微反射镜，为从一个输入源如光纤到一个输出如输出光纤的光建立一条光路。然后第二微反射镜使光转向输出光纤。与系统相连的每个光纤看作系统的一个端口，输入光纤为输入端口，输出光纤为输出端口。

使用MEMS装置的全光学开关技术的一个问题是，为了增加系统中的端口数，即光纤数，需要增加用于执行开关功能的微反射镜数。在如上所述的现有技术中，第一光学MEMS装置包括结合在其上的所有第一微反射镜，第二光学MEMS装置包括结合在其上的所有第二微反射镜。由于光学MEMS装置的尺寸是光学MEMS装置上的微反射镜数的正函数，并且所需的微反射镜数与全光学开关中可用的最大端口数成正比，因此增加全光学开关中可用的最大端口数需要使用一个更大的光学MEMS装置。

不幸地，制造能力及大组件尺寸的限制有效地将目前的光学MEMS装置限制到1296个微反射镜。此外，即使微反射镜尺寸可以被有效地缩小，仍存在一个问题即需要将控制信号引到每个微反射镜。这些控制信号占据光学MEMS装置的大量空间，将因此导致光学MEMS装置变得极大。此外，每个微反射镜有控制信号，必须从其基底引出到光学MEMS装置。为了进行这些连接，光学MEMS装置上需要额外的大量空间。

由于所有这些空间要求，光学MEMS芯片相当大，并且因此，由于制造能力限制，能够置于单个光学MEMS装置上的微反射镜数是有限的。微反射镜数的限制也限制了全光学开关的端口数。

此外，目前可用的微反射镜具有有限的有效倾斜范围。有效范围的限制进一步限制了使用这种光学MEMS装置的全光学开关中可实现的端口数，因为第一光学MEMS装置上的每个微反射镜必须能够使入射到其上的光引向第二光学MEMS装置上的每个微反射镜。这样引导光的能力是微反射镜有效倾斜范围的函数。换句话说，较大的有效倾斜角允许每个微反射镜在较大范围引导其光。对于作为光学开关布置的光学MEMS装置，所需的最大倾斜角是用于光学MEMS装置的对角上的微反射镜之间的连接。例如，第一MEMS装置的右上角的微反射镜必须将光引向第二MEMS装置的左下角的微反射镜，它要求最倾斜。因此，光学开关中能够使用的微反射镜阵列的尺寸受到其光学MEMS装置的有效倾斜范围的限制。

虽然增大两个光学MEMS装置之间的间隔距离能够减小所需的倾斜角，允许不改变微反射镜的有效倾斜范围而使用较大的微反射镜阵列，但是这样做的缺点是增大了光束衍射，因此需要使用较大直径的微反射镜或者导致一些光的损耗。由于在现有技术下使用较大的微反射镜需要额外的空间，这样做增大了光学MEMS装置上微反射镜之间的距离，对于相同数量的微反射镜，进一步增大了光学MEMS装置的尺寸。由于增大光学MEMS装置的尺寸，因此需要更大的倾斜角以耦合相对的光学MEMS装置的对角。因此，本质上，由于有限的可用的倾斜角，相对的光学MEMS装置的额外间隔无助于增加端口数。

发明内容

我们已经认识到，当足够大的微反射镜阵列可以构造但是可用的倾斜角不够，使得不是所有的微反射镜都可以耦合在一起时，通过以有效地组合每个第一与第二光学装置的至少一个微反射镜的倾斜角的方式，将光学MEMS装置之一的至少一部分成像到第二光学MEMS装置所在的一个不同的位置，可以克服由光学MEMS装置的尺寸和/或有效倾斜范围的限制造成的全光学开关中端口数的限制。在系统的一个实施例中，成像系统复制来自第一微反射镜的光的反射角，这可以使用一个远心系统，也称为4f系统来实现。通过压缩光路，例如，使用合适的常规反射镜，和/或使用折叠装置，即仅有一个MEMS装置级，具有通过使用至少一个常规反射镜进行输入和输出的双重任务的装置，可以减小装置的实际尺寸。

在本发明的一个实施例中，为了创造具有较大表观倾斜角的一个光学开关，使用一个远心系统使第一输入光学MEMS装置成像到第二输入光学MEMS装置，使得反射角相加。然后，从第二输入光学MEMS装置反射的光提供给至少第三输出MEMS装置。该第三MEMS输出装置可以也被一个远心系统成像到第四输出MEMS装置。

在本发明的另一个实施例中，可以仅使用两个MEMS装置实现一个折叠系统。第一MEMS装置的端口位于输入与输出端口之间。第一MEMS装置使用一个远心系统成像到第二MEMS装置，使得反射角相加。来自第二MEMS装置的光从一个常规反射镜反射回第二MEMS装置。反射光的微反射镜的组合角决定哪个微反射镜将接收从常规反射镜反射之后的光。接收从常规反射镜反射之后的光的微反射镜也使光通过成像系统返回到第一MEMS装置，并且光被引到其上的微反射镜使光转向一个输出端口。此外，第二与第一微反射镜之间的反射角是相加的。

整个系统被布置以说明MEMS装置的任何像的倒像。

有利地，增大有效角使得能够实现一个开关的所有可用输入与输出端口之间的完全连接，该开关由具有微反射镜阵列的MEMS装置制成，微反射镜阵列很大，使得不是输入MEMS装置上的所有微反射镜都能使用该MEMS装置的基本倾斜角另外耦合到输出MEMS装置的所有微反射镜。

附图说明

在图中： 

图1显示根据本发明的原理用于执行光学开关的一个示例性装置；

图2显示本发明的一个实施例，其中仅需要使用一个成像系统；

图3显示本发明的另一个实施例，其中仅需要使用一个成像系统；以及

图4显示本发明的一个示例性实施例，其中系统是折叠的。

具体实施方式

以下仅说明本发明的原理。因此将意识到那些熟练的技术人员能够设计那些尽管未在此明确描述或显示，但体现本发明的原理以及包括在其精神和范围内的各种装置。此外，这里所述的所有例子及条件语言主要是明确地打算仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理及由发明者提供的概念以促进该技术，并且应解释为不限于这些明确描述的例子及条件。此外，这里描述本发明的原理、方面及实施例的所有陈述，与其特定例子一样，都打算包含其结构及功能的等价物。此外，打算这些等价物既包括目前已知的等价物，也包括将来研制的等价物，即无论结构如何，研制的执行相同功能的任何元件。

因此，例如，那些熟练的技术人员将意识到这里的任何框图都表示体现本发明原理的示例性电路的概念性视图。类似地，将意识到任何流程图、流程示意图、状态转换图、伪代码等等都表示可在计算机可读介质上完全表示并由计算机或处理器如此执行的各种程序，无论这样的计算机或处理器是否被明确显示。

图中所示各种元件的功能，包括标记为“处理器”的任何功能块，可以通过使用专用硬件或者能够执行软件的硬件结合合适的软件提供。当由一个处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独处理器提供，多个单独处理器中一些可以是共享处理器。此外，明确使用术语“处理器”或“控制器”不应解释为专门指能够执行软件的硬件，还可以隐含地无限制地包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及非易失性存储器。也可以包括常规的和/或定制的其它硬件。类似地，图中显示的任何开关都仅是概念上的。其功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制与专用逻辑的相互作用或者甚至是手动地实现，详细技术可由实施者在对上下文更确切地理解时选择。

在其权利要求书中作为用于执行特定功能的设备表示的任何元件都打算包含执行该功能的任何方式，包括，例如，a)执行该功能的电路元件的组合或者b)任何形式的软件，包括，因此，固件、微码等等，与用于执行该软件的合适的电路组合以执行该功能。这个权利要求书所定义的本发明存在的事实是各种所述设备提供的功能性以权利要求书要求的方式组合和集合在一起。申请人因此将能够提供那些功能性的任何设备视为与这里所示的等价。

软件模块，或者隐含为软件的简单模块，这里可以表示为流程图元件或表示执行程序步骤和/或文本描述的其它元件的任何组合。这些模块可以由明确或隐含显示的硬件执行。

这里除非另外明确指出，附图都未按比例绘制。

此外，这里除非另外明确指出，这里显示和/或描述的任何透镜实际上是具有该透镜的特殊特定性质的一个光学系统。这样一个光学系统可以由单个透镜元件实现，但不是必需限于此。类似地，显示和/或描述为一个反射镜的地方，实际上显示和/或描述的是具有这样一个反射镜的特定性质的一个光学系统，可以由单个反射镜元件实现，但不是必需限于单个反射镜元件。这是因为，技术上众所周知，各种光学系统可以提供单个透镜元件或反射镜的相同功能但是是以一种高级的方式，例如，具有较小变形。此外，技术上众所周知，一个曲面反射镜的功能可以通过透镜和反射镜的组合实现，反之亦然。此外，执行一个特定功能的光学元件的任何装置，例如，成像系统、光栅、镀膜元件及棱镜，可以用执行相同特定功能的光学元件的任何其它装置替换。因此，这里除非另外明确指出，对于本公开，在这里公开的一个总实施例中能够提供特定功能的所有光学元件或系统都彼此相当。

这里使用的术语微机电系统(MEMS)装置打算指整个MEMS装置或其任何部分。因此，如果一个MEMS装置的一部分不工作，或者如果一个MEMS装置的一部分关闭，这样一个MEMS装置对于本公开仍然被看作一个MEMS装置。

图1显示根据本发明的原理用于执行光学开关的一个示例性装置。图1所示为a)输入光纤束101，b)输入微透镜阵列103，c)第一输入MEMS装置105，d)透镜107，e)透镜109，f)第二输入MEMS装置111，g)场镜113，h)第一输出MEMS装置115，i)透镜117，j)透镜119，k)第二输出MEMS装置121，l)输出微透镜阵列123，以及m)输出光纤束125。

输入光纤束101提供待转换的光学信号。更确切地，输入光纤束101的每个光纤是图1的开关系统的一个输入端口。由光纤束101的每个光纤提供的光通过各个对应的微透镜，该微透镜为微透镜阵列103的一部分。每个微透镜的功能是使由其各个相连的输入光纤提供的光束准直。在本发明的其它实施例中，在构成准直仪的装置中，一个透镜可以与光纤束101的每个光纤结合，以代替使用单独的微透镜阵列。

从微透镜阵列103通过的每个光束都落在第一输入MEMS装置105的各个微反射镜上。第一输入MEMS装置105的每个微反射镜被设置为以各个规定角度反射入射在其上的光束。选择特殊的规定角度使得与第二输入MEMS装置111的对应各个微反射镜的角度组合得到一个总的所需角度。如果有多于一个的角度组合可以用于获得该总的所需角度，在本发明的一个实施例中每个微反射镜使用最小角度。这是因为使用目前的静电角度控制技术，给定一个特定控制电压，倾斜的函数是高度非线性的。因此，需要的倾斜越小得到所需角度的结果就越精确。

从其特定微反射镜反射出之后，每个光束通过透镜107，然后是透镜109到达第二输入MEMS装置111的各个微反射镜。透镜107和透镜109构成一个成像系统。该成像系统使得第一输入MEMS装置105的每个微反射镜的角度与第二输入MEMS装置111的对应各个微反射镜组合。注意尽管显示两个透镜组成该成像系统，但这仅是用于教学及阐明的目的。那些普通熟练的技术人员将容易地意识到可以使用任何成像系统，例如使用一个或多个透镜的系统。

在本发明的一个实施例中由透镜107和109构成的成像系统是一个远心系统，也称为4f系统。通过使用一个远心系统，这样的系统在技术上众所周知，来自第一输入MEMS装置105的每个光束的反射角在该光到达第二输入MEMS装置111时被复制，使得第一输入MEMS装置105的每个微反射镜的倾斜角与第二输入MEMS装置111的各个对应微反射镜组合。注意由于该远心系统可以是倒像的，因此第二输入MEMS装置111的各个对应微反射镜的位置可以不与第一输入MEMS装置105中的完全相同。

给定所用的该特殊的成像系统，需要为每个各个对应的微反射镜确定合适的角度以获得组合的微反射镜倾斜。那些普通熟练的技术人员将能够开发必要的控制算法作为他们选择使用的特殊成像系统的功能。在本发明的实施例中使用一个远心成像系统，角度直接相加。

注意与原来相比，成像系统还可以改变像的尺寸。这将允许第二输入MEMS装置111的微反射镜在尺寸上与第一输入MEMS装置105不同，还允许第二输入MEMS装置111的微反射镜间隔与第一输入MEMS装置105不同。此外，有可能例如在透镜107和109之间使用分光镜，以创造通过系统的多个信号路径，例如，以实现多点广播、广播、监控、保护及恢复功能。有利地，在系统设计中获得较大的灵活性。

从第二输入MEMS装置111的各个微反射镜反射出之后，光在去往第一输出MEMS装置115的途中通过可选的场镜113。可选的场镜使光入射到每个微反射镜上的角度转换到光将被引向的位置。这允许输入微反射镜的所有组合是均匀的，因为具有相同总倾斜的微反射镜的所有组合将使光被引到相同的位置。此外，场镜使通过它的每个光束重新聚焦，因此减少了损耗。

从场镜113通过的每个光束都落在第一输出MEMS装置115的各个微反射镜上。第一输出MEMS装置115的每个微反射镜被设置为以各个规定角度反射入射在其上的光束。选择特殊的规定角度使得与第二输出MEMS装置121的对应各个微反射镜的角度组合得到一个总的所需角度。如果有多于一个的角度组合可以用于获得该总的所需角度，在本发明的一个实施例中由于与以上关于输入MEMS装置给出的相同的原因，每个微反射镜使用最小角度。

从其特定微反射镜反射出之后，每个光束通过透镜117，然后是透镜119到达第二输出MEMS装置121的各个微反射镜。与透镜107和109类似，透镜117和透镜119构成一个成像系统。该成像系统使得第一输出MEMS装置115的每个微反射镜的角度与第二输出MEMS装置121的对应各个微反射镜组合。如前连同输入成像系统的透镜所述，尽管显示两个透镜组成该成像系统，但这仅是用于教学及阐明的目的。那些普通熟练的技术人员将容易地意识到可以使用任何成像系统，例如使用一个或多个透镜的系统。在本发明的一个实施例中，由透镜117和119构成的成像系统是一个远心系统。

通过使用一个远心系统，这样的系统在技术上众所周知，来自第一输出MEMS装置115的每个光束的反射角在该光到达第二输出MEMS装置121时被复制，使得第一输出MEMS装置115的每个微反射镜的倾斜角与第二输出MEMS装置121的各个对应微反射镜组合。注意由于该远心系统可以是倒像的，因此第二输出MEMS装置121的各个对应微反射镜的位置可以不与第一输出MEMS装置115中的完全相同。

给定所用的该特殊的成像系统，需要为每个各个对应微反射镜确定合适的角度以获得组合的微反射镜倾斜。那些普通熟练的技术人员将能够开发必要的控制算法作为他们选择使用的特殊成像系统的功能。在本发明的实施例中使用一个远心成像系统，角度直接相加。

注意与原来相比，成像系统还可以改变像的尺寸。这将允许第二输出MEMS装置121的微反射镜在尺寸上与第一输出MEMS装置115不同，还允许第二输出MEMS装置121的微反射镜间隔与第一输出MEMS装置115不同。此外，有可能例如在透镜117和119之间使用分光镜，以创造通过系统的多个信号路径，例如，以实现多点广播、广播、监控、保护及恢复功能。有利地，在系统设计中获得较大的灵活性。

从第二输出MEMS装置121的每个微反射镜通过的光束通过微透镜阵列123的各个微透镜。每个微透镜的功能是将该光束耦合到其各个相连的输出光纤。在本发明的其它实施例中，在构成准直仪的装置中，一个透镜可以结合在光纤束125的每个输出光纤上，以代替使用单独的微透镜阵列。来自微透镜阵列123的每个微透镜的光然后进入与该微透镜相连的各个输出光纤束。

注意在本发明的一些实施例中，仅需要使用一个成像系统。在这些实施例中，成像系统可以仅用于输入或仅用于输出。图2所示这样一个实施例，它是与图1相同的基本装置，但是其中由透镜117和119构成的输出成像系统删去了。图1的第二输出MEMS装置121不需要了，并且整个输出开关功能由第一输出MEMS装置115执行。类似地，图3显示如图1的本发明的一个实施例，但是其中由透镜107和109构成的输入成像系统删去了。图1的第一输入MEMS装置105不需要了，并且整个输入开关功能由第二输入MEMS装置111执行。

当输入端口数与输出端口数不同时，这样的实施例特别有用，因为它们允许使用具有较少反射镜和一个成像系统的MEMS装置以及具有较多反射镜而无成像系统的MEMS装置，使得如果输入和输出MEMS装置都单独使用，无任何成像系统，并且尺寸与较大MEMS装置相同时，相对的MEMS装置上的每个可能的反射镜将无法寻址。但是，通过使用成像系统，较小的MEMS装置组合能够获得较大的倾斜角，这样就允许输入及输出端的所有微反射镜位置都可以以任意组合彼此寻址。

在本发明的另一个实施例中，任何一对MEMS装置，即光学耦合以使倾斜相加的两个MEMS装置，例如，一个输入对或一个输出对，是平的或关于任何其倾斜轴呈最大倾斜。在这样一个装置中，精细控制来自于其成对的反射镜，而有限控制反射镜本质上作为一个增强器。注意，正如那些普通熟练的技术人员将会容易地意识到的，一对的每个对应微反射镜可以对由该对完成的光束的总角度变化具有不同的有效贡献。此外，输入对或输出对之间的成像系统可以使得即使对于反射镜倾斜的相同变化，也能实现对于一对的每个微反射镜的不同的有效贡献。

在本发明的另一个实施例中，一对反射镜的每个反射镜完全限制为仅关于一个倾斜轴倾斜。第一MEMS装置的反射镜能够倾斜的轴完全垂直于第二MEMS装置的轴。这样一个装置使得组件上的电连接数可以减少一半，这样就允许在一个相同尺寸的基底上构造更多的反射镜。此外，用于向每个反射镜提供两个倾斜轴的万向节可以删去。然后万向节的空间可以收回以构成更大的微反射镜。此外，反射镜的启动电压也可以减小，因为可以有额外的表面区域用于施加该启动电压。如果不需要减小该启动电压，则微反射镜关于其一个倾斜轴可以倾斜的角度与关于两个倾斜轴倾斜的反射镜相比可以增大，因为给定较大电极尺寸，有可能增大电极与微反射镜之间的距离而使用相同的启动电压。

如果多个波长的光通过任何输入端口传输，则它们将全部一起通过该系统到达对应的输出端口。

图4显示本发明的另一个示例性实施例，其中系统是折叠的。为此，光纤束401包括输入和输出光纤，使得光纤束401作为输入和输出端口。来自输入光纤的光通过微透镜阵列403的各个相连的微透镜。光从第一MEMS装置405的一个对应相连的微反射镜反射出，并且通过由图4中透镜407和409构成的一个成像系统。如上所述，尽管显示两个透镜构成该成像系统，但这仅是用于教学及阐明的目的。那些普通熟练的技术人员将容易地意识到可以使用任何成像系统，例如使用一个或多个透镜的系统。在本发明的一个实施例中，使用一个远心系统作为该成像系统。

来自该成像系统的光束被第二MEMS装置411的各个微反射镜反射到反射镜413。反射镜413是一个常规的反射镜，可以是平的，作为一个平面反射镜，或可以是曲面的，与先前由场镜执行的功能合并。光束被反射镜413反射回MEMS装置411作为返回光束，每个返回光束入射在MEMS装置411的其中一个微反射镜上。典型地返回光束入射到的微反射镜与最初将它们反射到反射镜413的微反射镜不同，但这不是一个必要条件，并且对于任何输入光束，该返回光束可以确实入射到从其反射到反射镜413的同一个微反射镜。这样做使得光纤束中的任何光纤都能连接到该光纤束中的任何其它光纤，包括它本身。

然后每个返回光束通过该成像系统到达第一MEMS装置405，在此被第一MEMS装置405的各个对应微反射镜反射到作为光束的输出端口的光纤束401的光纤。从该微反射镜反射之后，但在进入该光纤之前，该光束通过与作为光束的输出端口的光纤相连的微透镜阵列403的微透镜。

注意可以不用光纤提供光束作为输入，而用一个光源，例如，激光器或发光二极管、平面波导等等。同样地，可以不用光纤接收光束作为输出，而用其它接收器例如光探测器、平面波导等等。